Lab 004 · musl 静态移植验证

对应 document/book/07-userland/004/。验证分两层:内核侧(Linux ABI + 初始栈 + 新 syscall,靠 test_initial_stack host 单测 + run-kernel-test 验,随时能跑)和 musl 端到端(用 build-musl.sh 编 sysroot、跑 musl hello 的 ring3 smoke,需要先在宿主机编一次 musl)。前者是「内核准备好接住 musl 了」的客观证据;后者是 A 档 punchline(真 musl 程序跑起来),但依赖 musl 工具链。

目标

确认四件事:

1. SYS_chdir/SYS_brk 撞号修了(chdir=80、brk=12),jump_to_usermode 的 #DF 修了(movq $0x202,%r11);
2. 初始栈铺了对——test_initial_stack host 单测验 auxv + 16 字节对齐;
3. run-kernel-test 954/0 不回归(新 syscall + 初始栈测试都绿);
4. (可选,musl 端到端)build-musl.sh 编出 sysroot、ring3 smoke 跑 musl hello 出 Hello from musl。

步骤

1. 撞号 bug + #DF 修法(内核侧)

先核两个真 bug 都修了:

grep -n "SYS_brk\|SYS_chdir" kernel/syscall/syscall_nums.hpp

应看到 SYS_brk = 12、SYS_chdir = 80(注释会写「was wrongly 12, collided with brk」)。撞号没了。

sed -n '90,98p' kernel/arch/x86_64/usermode.S

应看到 jump_to_usermode 里设 RFLAGS 那行是 movq $0x202, %r11(立即数加载,不碰内存)——不是 pushq $0x202; popq %r11(那个会在切到用户栈后内核态写用户内存、SMAP 下 #PF→#DF)。注释会说明这是 SYSRET 恢复的 RFLAGS。

思考这个 bug 为什么潜伏:pushq/popq 那版写用户内存,只有 SMAP 开了才会被拦。本机 WSL2 不透传 SMAP CPUID(见 056 的边界),所以 SMAP 没生效、bug 没发作。真机/SMAP 透传环境必 #DF。这是「开发机绿 ≠ 真机对」的典型。

2. 初始栈:host 单测验 auxv

cmake --build build -j$(nproc) --target test_initial_stack && \
build/test/test_initial_stack 2>&1 | tail -10

应看到两个测试 PASS:initial_stack: argc/argv/envp layout and 16-byte RSP alignment(栈布局 + 入口 RSP 16 字节对齐)和 initial_stack: auxv entries incl AT_RANDOM/AT_EXECFN, AT_NULL terminator(辅助向量铺对了)。这是 musl 启动能读到 auxv 的客观保证——不依赖 QEMU、不依赖 musl,纯栈布局逻辑。

看 helper 铺的布局:

sed -n '3,21p' kernel/proc/initial_stack.hpp

应看到 [ argc | argv[] | NULL | envp[] | NULL | auxv.. | AT_NULL | strings.. | pad ] 这条 Linux 标准 initial-stack 布局,以及 musl 硬依赖的 AT_*(AT_PHDR/AT_RANDOM/AT_UID...)清单。

3. run-kernel-test 不回归

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -E "=== Tests: [0-9]+ passed, 0 failed ===|ALL TESTS PASSED" | tail -2

应是 954 passed, 0 failed + ALL TESTS PASSED(含本章新增的 syscall / initial-stack 相关测试)。新 syscall(sys_open/sys_stat/sys_set_tid_address)在 kernel/syscall/ 下,handler 注册进表。

4. (可选)musl 端到端:跑 musl hello

这一步需要先在宿主机编 musl sysroot(下载 musl 1.2.6 + 宿主 GCC 编):

bash tools/musl/build-musl.sh        # 编出 build/musl-sysroot/lib/libc.a
bash tools/musl/build-hello.sh       # 用 musl-gcc 编 hello.c → 静态 ELF

编出 sysroot 后,开 ring3 smoke 重编内核测试:

cmake -S . -B build -DCINUX_MUSL_HELLO_SMOKE=ON && \
cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -aE "Hello from musl|smoke.*PASS|sys_exit" | head

应看到 Hello from musl on CinuxOS! + [SYSCALL] sys_exit(0) + smoke: hello exit_status=0 ... PASS。这是 A 档 punchline:整条 musl 启动链在 ring3 端到端跑通。

这一步依赖 musl 工具链(网络下载 musl 源 + 宿主 GCC 版本匹配,build-musl.sh 里处理了 GCC16 的 -fno-link-libatomic 坑)。编不出 sysroot 不代表内核没准备好——前 3 步已经客观证明了内核侧的 ABI + 初始栈 + syscall 就绪。这一步是「真 musl 程序端到端」的额外验证,需要工具链就位。

验收清单

• [ ] SYS_chdir=80/SYS_brk=12(撞号修了);jump_to_usermode 用 movq $0x202,%r11(#DF 修了,不碰用户内存)。
• [ ] test_initial_stack 两个测试 PASS(栈布局 + 16 字节对齐 + auxv);run-kernel-test 954/0。
• [ ] 知道 #DF bug 是被 WSL2 的 SMAP-不透传挡住的潜伏 bug——真机会发作。
• [ ] (可选)musl hello ring3 smoke 出 Hello from musl + 干净 exit(需 musl sysroot)。

别做这些

• 别以为开发机绿就是真机对——jump_to_usermode 那个 #DF 在 WSL2(SMAP 没透传)上不发作,真机/SMAP 透传环境必炸。「环境限制掩盖真 bug」要警惕。
• 别硬编码 syscall 号在用户壳里——user/libc/syscall.cpp include kernel/syscall/syscall_nums.hpp 用 enum,单一事实源,改号一处同步。
• 别以为 execve 替换路径也铺了初始栈——build_initial_stack 这一章只接了 launch_user_program(首进程)路径;sys_execve 替换路径的栈铺设是 follow-up。
• 别以为这是动态链接——musl 程序静态链 libc.a,没有 ldso/PT_INTERP/.so。动态链接是后面的事。
• 别跳过 test_initial_stack 直接跑 musl hello——host 单测是「栈布局对不对」的确定性验证(不依赖 QEMU/musl),比端到端 smoke 脆性低。先验内核侧,再跑端到端。